等離子體基本概念

1、第第2章章 等離子體基本概念等離子體基本概念 n介紹一些介紹一些等離子體物理的基本概念等離子體物理的基本概念, ,為進(jìn)一為進(jìn)一步學(xué)習(xí)等離子體物理做些引導(dǎo)。步學(xué)習(xí)等離子體物理做些引導(dǎo)。 2.1 等離子體與等離子體物理學(xué)等離子體與等離子體物理學(xué) n等離子體等離子體：當(dāng)物質(zhì)的溫度從低到高變化時(shí)，物質(zhì)將當(dāng)物質(zhì)的溫度從低到高變化時(shí)，物質(zhì)將逐次經(jīng)歷固體、液體和氣體三種狀態(tài)，當(dāng)溫度進(jìn)一逐次經(jīng)歷固體、液體和氣體三種狀態(tài)，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，氣體中的原子、分子將出現(xiàn)步升高時(shí)，氣體中的原子、分子將出現(xiàn)電離狀態(tài)，電離狀態(tài)，形成電子、離子組成的體系，形成電子、離子組成的體系，這種由大量帶電粒子這種由大量帶電粒子（有時(shí)

2、還有中性粒子）組成的體系便是等離子體（有時(shí)還有中性粒子）組成的體系便是等離子體n等離子體是物質(zhì)存在的第等離子體是物質(zhì)存在的第4種狀態(tài)，稱種狀態(tài)，稱物質(zhì)第四態(tài)物質(zhì)第四態(tài)。n等離子體廣泛存在于宇宙空間（從電離層到宇宙深等離子體廣泛存在于宇宙空間（從電離層到宇宙深處物質(zhì)幾乎都是電離狀態(tài)），宇宙空間處物質(zhì)幾乎都是電離狀態(tài)），宇宙空間99%是等離是等離子體。地球表面幾乎沒(méi)有自然存在的等離子體。只子體。地球表面幾乎沒(méi)有自然存在的等離子體。只有閃電、氣體放電等實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)的電離氣體，即有閃電、氣體放電等實(shí)驗(yàn)室中出現(xiàn)的電離氣體，即等離子體。等離子體。* 宇宙中的宇宙中的暗物質(zhì)暗物質(zhì)n宇宙中存在著許多不發(fā)光的天

3、體，諸如暗星、行宇宙中存在著許多不發(fā)光的天體，諸如暗星、行星和黑洞等，并且在星際空間還存在著大量不可星和黑洞等，并且在星際空間還存在著大量不可見(jiàn)的塵埃和氣體，即暗物質(zhì)。因此，我們看到的見(jiàn)的塵埃和氣體，即暗物質(zhì)。因此，我們看到的物質(zhì)顯然比宇宙中實(shí)際存在的物質(zhì)少。物質(zhì)顯然比宇宙中實(shí)際存在的物質(zhì)少。n在整個(gè)宇宙中必然存在著大量的不可見(jiàn)物質(zhì)或暗在整個(gè)宇宙中必然存在著大量的不可見(jiàn)物質(zhì)或暗物質(zhì)。物質(zhì)。n天文觀測(cè)數(shù)據(jù)還表明，宇宙中不僅存在暗物質(zhì)，天文觀測(cè)數(shù)據(jù)還表明，宇宙中不僅存在暗物質(zhì)，而且暗物質(zhì)還將占宇宙物質(zhì)的絕大部分。而且暗物質(zhì)還將占宇宙物質(zhì)的絕大部分。 “Plasma”n等離子體英文詞等離子體英文詞

4、“Plasma” 源予希臘文源予希臘文“”，是，是1928年朗繆爾把輝光放電年朗繆爾把輝光放電產(chǎn)生的電離氣體命名為產(chǎn)生的電離氣體命名為“Plasma”而引入而引入的。的。n中文譯詞中文譯詞“等離子體等離子體”（臺(tái)灣稱（臺(tái)灣稱“電漿電漿”）其本意是電離狀態(tài)氣體正負(fù)電荷大體相等，其本意是電離狀態(tài)氣體正負(fù)電荷大體相等，整體上處于電中性（準(zhǔn)電中性）。整體上處于電中性（準(zhǔn)電中性）。 等離子體物理學(xué)等離子體物理學(xué)n19世紀(jì)世紀(jì)30年代氣體放電管中電離氣體的研究年代氣體放電管中電離氣體的研究n20世紀(jì)世紀(jì)30年代到年代到50年代初在借鑒其它學(xué)科研究方年代初在借鑒其它學(xué)科研究方法的基礎(chǔ)上建立了等離子體物理的基

5、本理論框架法的基礎(chǔ)上建立了等離子體物理的基本理論框架和描述方法，同時(shí)把其研究范圍從電離氣體、金和描述方法，同時(shí)把其研究范圍從電離氣體、金屬中電子氣拓展到電離層和天體。屬中電子氣拓展到電離層和天體。n20世紀(jì)世紀(jì)50年代起，在受控?zé)峋圩冄芯亢涂臻g技術(shù)年代起，在受控?zé)峋圩冄芯亢涂臻g技術(shù)的巨大推動(dòng)下，等離子體物理才得到充分的發(fā)展的巨大推動(dòng)下，等離子體物理才得到充分的發(fā)展并成熟起來(lái)，并成熟起來(lái)，n20世紀(jì)世紀(jì)70年代末成為物理學(xué)界公認(rèn)的一門新的物年代末成為物理學(xué)界公認(rèn)的一門新的物理學(xué)獨(dú)立分支學(xué)科。理學(xué)獨(dú)立分支學(xué)科。 等離子體物理學(xué)影響與作用等離子體物理學(xué)影響與作用n等離子體廣泛存在于宇宙空間，認(rèn)識(shí)和掌

6、握各種等離子體廣泛存在于宇宙空間，認(rèn)識(shí)和掌握各種條件下等離子體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是人類認(rèn)識(shí)宇宙中各種條件下等離子體運(yùn)動(dòng)規(guī)律是人類認(rèn)識(shí)宇宙中各種現(xiàn)象的基本前提。所以，現(xiàn)象的基本前提。所以，等離子體物理是向我們等離子體物理是向我們提供太陽(yáng)、恒星、行星際介質(zhì)和銀河系知識(shí)的基提供太陽(yáng)、恒星、行星際介質(zhì)和銀河系知識(shí)的基石之一。石之一。 n等離子體物理學(xué)研究為人類解決能源問(wèn)題帶來(lái)希等離子體物理學(xué)研究為人類解決能源問(wèn)題帶來(lái)希望。因?yàn)槭芸睾司圩兛梢詾槿祟愄峁╅L(zhǎng)期用之不望。因?yàn)槭芸睾司圩兛梢詾槿祟愄峁╅L(zhǎng)期用之不竭的新能源。然而，實(shí)現(xiàn)核聚變能利用，要求改竭的新能源。然而，實(shí)現(xiàn)核聚變能利用，要求改善約束和加熱等離子體的方法。

7、因此，善約束和加熱等離子體的方法。因此，掌握高溫掌握高溫等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的關(guān)鍵。等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是實(shí)現(xiàn)受控核聚變的關(guān)鍵。 n等離子體物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)和控制地球環(huán)境變化、等離子體物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)和控制地球環(huán)境變化、開(kāi)發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維持全球通訊的重要保證。太陽(yáng)等開(kāi)發(fā)空間產(chǎn)業(yè)、維持全球通訊的重要保證。太陽(yáng)等離子體熱核能量的輸出和傳輸、磁層和電離層中能離子體熱核能量的輸出和傳輸、磁層和電離層中能量的轉(zhuǎn)化和分配，對(duì)于認(rèn)識(shí)和保障地球環(huán)境有深遠(yuǎn)量的轉(zhuǎn)化和分配，對(duì)于認(rèn)識(shí)和保障地球環(huán)境有深遠(yuǎn)的意義?？臻g等離子體物理學(xué)研究能為保障航天安的意義?？臻g等離子體物理學(xué)研究能為保障航天安全和空間應(yīng)用提供

8、理論依據(jù)。研究電離層等離子體全和空間應(yīng)用提供理論依據(jù)。研究電離層等離子體環(huán)境及其對(duì)電波傳播的影響，保障和改善通訊、導(dǎo)環(huán)境及其對(duì)電波傳播的影響，保障和改善通訊、導(dǎo)航和授時(shí)精度的重要作用。航和授時(shí)精度的重要作用。 n等離子體物理學(xué)研究可促進(jìn)低溫等離子體技術(shù)在國(guó)等離子體物理學(xué)研究可促進(jìn)低溫等離子體技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。等離子體處理加工技術(shù)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。等離子體處理加工技術(shù)已成為一些重要產(chǎn)業(yè)（如微電子、半導(dǎo)體、材料、已成為一些重要產(chǎn)業(yè)（如微電子、半導(dǎo)體、材料、航天、冶金等）的關(guān)鍵技術(shù)，而在滅菌、消毒、環(huán)航天、冶金等）的關(guān)鍵技術(shù)，而在滅菌、消毒、環(huán)境污染處理、發(fā)光和激光的氣體放電、等

9、離子體顯境污染處理、發(fā)光和激光的氣體放電、等離子體顯示、表面改性、同位素分離、開(kāi)關(guān)和焊接技術(shù)等方示、表面改性、同位素分離、開(kāi)關(guān)和焊接技術(shù)等方面的應(yīng)用已創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。面的應(yīng)用已創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益。 n等離子體物理學(xué)研究開(kāi)辟了由高技術(shù)開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。等離子體物理學(xué)研究開(kāi)辟了由高技術(shù)開(kāi)發(fā)的新領(lǐng)域。非中性等離子體的研究產(chǎn)生了一批嶄新的具有革命非中性等離子體的研究產(chǎn)生了一批嶄新的具有革命性意義的高技術(shù)項(xiàng)目，如相干輻射源的研制和粒子性意義的高技術(shù)項(xiàng)目，如相干輻射源的研制和粒子加速器新概念的提出。將在能源、國(guó)防、通訊、材加速器新概念的提出。將在能源、國(guó)防、通訊、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中發(fā)揮重要作用。對(duì)基

10、本物理過(guò)料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中發(fā)揮重要作用。對(duì)基本物理過(guò)程的深入研究已成為推動(dòng)這些技術(shù)取得突破性進(jìn)展程的深入研究已成為推動(dòng)這些技術(shù)取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵。的關(guān)鍵。 n等離子體物理學(xué)各領(lǐng)域的研究還提出了一些帶有共等離子體物理學(xué)各領(lǐng)域的研究還提出了一些帶有共性、密切相關(guān)的基本問(wèn)題，如波和粒子相互作用、性、密切相關(guān)的基本問(wèn)題，如波和粒子相互作用、等離子體加熱、混沌、湍流和輸運(yùn)、等離子體鞘層等離子體加熱、混沌、湍流和輸運(yùn)、等離子體鞘層和邊界層和邊界層, ,磁場(chǎng)重聯(lián)和發(fā)動(dòng)機(jī)效應(yīng)等。這些問(wèn)題構(gòu)磁場(chǎng)重聯(lián)和發(fā)動(dòng)機(jī)效應(yīng)等。這些問(wèn)題構(gòu)成了等離子體物理進(jìn)一步發(fā)展的重要內(nèi)容。成了等離子體物理進(jìn)一步發(fā)展的重要內(nèi)容。 等離子體

11、物理學(xué)科方向等離子體物理學(xué)科方向主要研究?jī)?nèi)容主要研究?jī)?nèi)容 n等離子體物理主要研究等離子體的整體形態(tài)和集體等離子體物理主要研究等離子體的整體形態(tài)和集體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等離子體與電磁場(chǎng)及其它形態(tài)物質(zhì)的相運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等離子體與電磁場(chǎng)及其它形態(tài)物質(zhì)的相互作用?；プ饔?。 n等離子體物理研究范圍非常廣泛：磁約束聚變等離等離子體物理研究范圍非常廣泛：磁約束聚變等離子體、慣性約束聚變等離子體、空間等離子體、天子體、慣性約束聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體、低溫等離子體、非中性等離子體、塵體等離子體、低溫等離子體、非中性等離子體、塵埃等離子體、基礎(chǔ)等離子體等埃等離子體、基礎(chǔ)等離子體等n等離子體物理在理論上也是對(duì)

12、物理學(xué)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。等離子體物理在理論上也是對(duì)物理學(xué)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。它涉及多體的長(zhǎng)程相互作用、強(qiáng)磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)與它涉及多體的長(zhǎng)程相互作用、強(qiáng)磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)與多粒子體系耦合等。多粒子體系耦合等。 2.2 等離子體的基本性質(zhì)等離子體的基本性質(zhì) 1. 電荷屏蔽電荷屏蔽現(xiàn)象現(xiàn)象與等離子體準(zhǔn)與等離子體準(zhǔn)電中性電中性n電荷屏蔽電荷屏蔽現(xiàn)象：現(xiàn)象： 等離子體是由大量帶電粒子組成的多等離子體是由大量帶電粒子組成的多粒子體系。兩個(gè)帶電粒子之間本來(lái)是粒子體系。兩個(gè)帶電粒子之間本來(lái)是簡(jiǎn)單的庫(kù)侖作用，由于周圍大量帶電簡(jiǎn)單的庫(kù)侖作用，由于周圍大量帶電粒子的存在，會(huì)出現(xiàn)電荷屏蔽現(xiàn)象，粒子的存在，會(huì)出現(xiàn)電荷屏蔽現(xiàn)象，這是等離子體

13、的重要特征之一。這是等離子體的重要特征之一。 n在等離子體中考察任一個(gè)在等離子體中考察任一個(gè)帶電粒子，由于它的靜電帶電粒子，由于它的靜電場(chǎng)作用，在其附近會(huì)吸引場(chǎng)作用，在其附近會(huì)吸引異號(hào)電荷的粒子、同時(shí)排異號(hào)電荷的粒子、同時(shí)排斥同號(hào)電荷的粒子，從而斥同號(hào)電荷的粒子，從而在其周圍會(huì)出現(xiàn)凈的異號(hào)在其周圍會(huì)出現(xiàn)凈的異號(hào)“電荷云電荷云”，這樣就削弱，這樣就削弱了這個(gè)帶電粒子對(duì)遠(yuǎn)處其了這個(gè)帶電粒子對(duì)遠(yuǎn)處其他帶電粒子的作用，這就他帶電粒子的作用，這就是電荷屏蔽現(xiàn)象。因此在是電荷屏蔽現(xiàn)象。因此在等離子體中，一個(gè)帶電粒等離子體中，一個(gè)帶電粒子對(duì)較遠(yuǎn)處的另一個(gè)帶電子對(duì)較遠(yuǎn)處的另一個(gè)帶電粒子的作用，就不再是庫(kù)粒子的

14、作用，就不再是庫(kù)侖勢(shì)，而應(yīng)是侖勢(shì)，而應(yīng)是“屏蔽庫(kù)侖屏蔽庫(kù)侖勢(shì)勢(shì)”。 +電荷屏蔽現(xiàn)象計(jì)算電荷屏蔽現(xiàn)象計(jì)算n原點(diǎn)處有電荷為原點(diǎn)處有電荷為q q的粒子的粒子, ,空間電荷分布為空間電荷分布為n球?qū)ΨQ空間電勢(shì)分布應(yīng)滿足方程球?qū)ΨQ空間電勢(shì)分布應(yīng)滿足方程 n由于離子慣性比電子大得多，可以忽略離由于離子慣性比電子大得多，可以忽略離子運(yùn)動(dòng)的影響，即子運(yùn)動(dòng)的影響，即 n0是離子不受中心電荷是離子不受中心電荷q影響時(shí)的均勻分布影響時(shí)的均勻分布 ( )( )ierZnen eqr20( )( )/rr 0iinnn假設(shè)電子受電勢(shì)的影響處于熱平衡狀態(tài)，假設(shè)電子受電勢(shì)的影響處于熱平衡狀態(tài)，電子密度平衡分布可取勢(shì)場(chǎng)為電子

15、密度平衡分布可取勢(shì)場(chǎng)為時(shí)的玻爾茲時(shí)的玻爾茲曼分布曼分布ne0為不受中心電荷影響時(shí)的電子密度為不受中心電荷影響時(shí)的電子密度, Te為電為電子溫度子溫度 n電中性（初始）電中性（初始）： n空間電荷分布空間電荷分布 n高溫條件：高溫條件：/0eeTeenn e00ieZnn/0( )(1)( )eeTern eeqr2200( )/( )/( )eeDrn eTqrqr eeT/1/eeTeeeT n方程為方程為n方程的解方程的解n電荷屏蔽效應(yīng)后中心電荷電荷屏蔽效應(yīng)后中心電荷q q的作用勢(shì)，稱的作用勢(shì)，稱為為屏蔽庫(kù)侖勢(shì)屏蔽庫(kù)侖勢(shì)n參量參量 具有長(zhǎng)度的量綱，稱為德拜屏蔽長(zhǎng)具有長(zhǎng)度的量綱，稱為德拜屏蔽

16、長(zhǎng)度，它是反映電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度。度，它是反映電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度。 200/DeeTn e2200( )( )/( )/Drrqr /0( )4DrqrerD電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度意義電荷屏蔽效應(yīng)的特征長(zhǎng)度意義 兩個(gè)粒子之間的作用為庫(kù)侖勢(shì)兩個(gè)粒子之間的作用為庫(kù)侖勢(shì) n 因子起重要作用。因子起重要作用。n一般情況下，等離子體中帶電粒子間長(zhǎng)程一般情況下，等離子體中帶電粒子間長(zhǎng)程部分的相互作用是主要的。部分的相互作用是主要的。n 是等離子體的一個(gè)重要特征參量，它可是等離子體的一個(gè)重要特征參量，它可作為等離子體空間宏觀尺度的量度。作為等離子體空間宏觀尺度的量度。 Dr0( )/4rqrDr/D

17、reD等離子體定義等離子體定義(1)(1)n 是等離子體空間尺度的下限，當(dāng)?shù)入x子體是等離子體空間尺度的下限，當(dāng)?shù)入x子體空間尺度空間尺度 時(shí)時(shí), ,才能保證等離子體的準(zhǔn)電才能保證等離子體的準(zhǔn)電中性。中性。n電荷屏蔽效應(yīng)能保持等離子體在電荷屏蔽效應(yīng)能保持等離子體在 范圍范圍內(nèi)為電中性，稱為內(nèi)為電中性，稱為準(zhǔn)電中性準(zhǔn)電中性。這是電離氣體。這是電離氣體成為等離子體的基本條件之一。成為等離子體的基本條件之一。n等離子體的定義等離子體的定義：由大量正負(fù)帶電粒子組成：由大量正負(fù)帶電粒子組成的準(zhǔn)電中性的體系的準(zhǔn)電中性的體系。 DlDDl離子離子屏蔽效應(yīng)與動(dòng)屏蔽問(wèn)題屏蔽效應(yīng)與動(dòng)屏蔽問(wèn)題* *n如果考慮離子的屏蔽

18、效應(yīng)，電子、離子分布：如果考慮離子的屏蔽效應(yīng)，電子、離子分布：n電荷分布：電荷分布：( )( )ierZnen eqr/0eeTeenn e2221/1/1/DDeDi200/DeeeTn e/0iZeTiinn e220020( )(/)( )/( )eeiiDrenTn ZTqrqr 2200/DiiiTn Z e等離子體振蕩與振蕩頻率等離子體振蕩與振蕩頻率 n現(xiàn)在討論由于某種原現(xiàn)在討論由于某種原因引起的局部電荷分因引起的局部電荷分離，產(chǎn)生的等離子體離，產(chǎn)生的等離子體振蕩現(xiàn)象。振蕩現(xiàn)象。n電子等離子體振蕩電子等離子體振蕩 因?yàn)檫@種振蕩是因?yàn)檫@種振蕩是1920年朗繆爾年朗繆爾(Langmui

19、r)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱朗發(fā)現(xiàn)的，所以又稱朗繆爾振蕩繆爾振蕩 等離子體振蕩頻率等離子體振蕩頻率n離子當(dāng)成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是離子當(dāng)成一種均勻分布的正電荷背景，振蕩只是電子的集體運(yùn)動(dòng)行為，可用磁流體模型來(lái)研究電電子的集體運(yùn)動(dòng)行為，可用磁流體模型來(lái)研究電子等離子體振蕩子等離子體振蕩n電場(chǎng)是電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電荷分離引起的電場(chǎng)是電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電荷分離引起的n只討論小振幅的振蕩只討論小振幅的振蕩 0eeennt ueeeeeem nent uuuE00/ee nn En小振幅的振蕩小振幅的振蕩n角標(biāo)角標(biāo)1為擾動(dòng)量，為擾動(dòng)量，線性化方程線性化方程 ：0111,eeeennntttruurEEr10

20、111110/0/eeeeentnmteen uuEEn設(shè)擾動(dòng)發(fā)生在設(shè)擾動(dòng)發(fā)生在z軸方向，這時(shí)也沿軸方向，這時(shí)也沿z軸方向，軸方向，取平面波的解：取平面波的解：n代入線性化方程，得代入線性化方程，得n任意消去兩個(gè)未知量，得任意消去兩個(gè)未知量，得 ()111(,)i kzteenuEe101111100/eeeeei nin kuimueEikEen 22001(/)0een emun必需滿足：必需滿足：n由此得電子等離子體振蕩頻率由此得電子等離子體振蕩頻率 ：n與等離子體的密度、電子質(zhì)量、電荷有關(guān)，與等離子體的密度、電子質(zhì)量、電荷有關(guān)，所以它是所以它是等離子體的特征頻率等離子體的特征頻率。相應(yīng)

21、的振。相應(yīng)的振蕩周期可作為衡量等離子體蕩周期可作為衡量等離子體準(zhǔn)電中性的特準(zhǔn)電中性的特征時(shí)間。征時(shí)間。n對(duì)于熱核等離子體，振蕩頻率對(duì)于熱核等離子體，振蕩頻率n電子電子- -離子碰撞頻率離子碰撞頻率 2200/0en em200peen em1210pe410ei離子等離子體振蕩離子等離子體振蕩n如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下如果出現(xiàn)離子的電荷漲落，它在靜電力的作用下也會(huì)向其原來(lái)的電中性平衡位置運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生離子也會(huì)向其原來(lái)的電中性平衡位置運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生離子等離子體振蕩或簡(jiǎn)稱離子振蕩。等離子體振蕩或簡(jiǎn)稱離子振蕩。n離子的運(yùn)動(dòng)速度比電子的慢得多，離子振蕩周期離子的運(yùn)動(dòng)速度比電子的慢得多，離子振

22、蕩周期比電子振蕩周期長(zhǎng)得多，在離子完成一個(gè)振蕩周比電子振蕩周期長(zhǎng)得多，在離子完成一個(gè)振蕩周期內(nèi)，電子依靠熱運(yùn)動(dòng)就可以在空間實(shí)現(xiàn)均勻分期內(nèi)，電子依靠熱運(yùn)動(dòng)就可以在空間實(shí)現(xiàn)均勻分布。因此可以認(rèn)為，離子的振蕩是在均勻的電子布。因此可以認(rèn)為，離子的振蕩是在均勻的電子背景中產(chǎn)生的背景中產(chǎn)生的n離子振蕩頻率離子振蕩頻率 200/piin empipe等離子體宏觀時(shí)間尺度等離子體宏觀時(shí)間尺度 n電子等離子體振蕩特征時(shí)間：電子等離子體振蕩特征時(shí)間：n作為等離子體宏觀時(shí)間尺度。作為等離子體宏觀時(shí)間尺度。 因?yàn)橐驗(yàn)?，電子等離子體振蕩總是存在；，電子等離子體振蕩總是存在； 僅當(dāng)僅當(dāng) ，空間電荷、空間電場(chǎng)等的時(shí)間平

23、均都，空間電荷、空間電場(chǎng)等的時(shí)間平均都為為0，因此，因此，電子等離子體振蕩特征時(shí)間是衡量電子等離子體振蕩特征時(shí)間是衡量等離子體準(zhǔn)電中性的時(shí)間下限。等離子體準(zhǔn)電中性的時(shí)間下限。1/pepepepe德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間 n德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間：德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間：n粒子特征熱運(yùn)動(dòng)速度粒子特征熱運(yùn)動(dòng)速度 n等離子體振蕩周期與德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用等離子體振蕩周期與德拜長(zhǎng)度距離上兩粒子作用時(shí)間是一致的。因此，用時(shí)間是一致的。因此，用電子振蕩特征時(shí)間作為電子振蕩特征時(shí)間作為等離子體宏觀存在時(shí)間等離子體宏觀存在時(shí)間是合適的是合適的 20/1/peDe

24、eeeeepeTn eTmv20/1/piDiiiiiipiTneTmv/T mv等離子體的定義等離子體的定義 （2）n由大量正負(fù)帶電粒子組成的、空間尺度由大量正負(fù)帶電粒子組成的、空間尺度和時(shí)間尺度和時(shí)間尺度的準(zhǔn)電中性的體系。的準(zhǔn)電中性的體系。 Dl1/pe3. 等離子體的碰撞等離子體的碰撞 n等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子碰撞等離子體中的粒子碰撞與中性氣體中的粒子碰撞有有顯著不同顯著不同。n中性粒子間的作用是短程力中性粒子間的作用是短程力（力程約粒子線度大力程約粒子線度大小），在兩個(gè)粒子之間是自由的，僅當(dāng)接近到粒小），在兩個(gè)粒子之間是自由的，僅當(dāng)接近到粒子半徑距離附近才有明顯作用，因

25、此它們間的彈子半徑距離附近才有明顯作用，因此它們間的彈性碰撞是性碰撞是近距離的二體碰撞近距離的二體碰撞，碰撞引起的偏轉(zhuǎn)角，碰撞引起的偏轉(zhuǎn)角是顯著的、多半是大角度的。是顯著的、多半是大角度的。n等離子體中的帶電粒子之間相互作用是等離子體中的帶電粒子之間相互作用是長(zhǎng)程庫(kù)侖長(zhǎng)程庫(kù)侖力力，一個(gè)帶電粒子同時(shí)與許多帶電粒子發(fā)生作用，一個(gè)帶電粒子同時(shí)與許多帶電粒子發(fā)生作用，即即多體相互作用多體相互作用，因而等離子體中的，因而等離子體中的帶電粒子帶電粒子“碰撞碰撞”是極其復(fù)雜的。是極其復(fù)雜的。 n等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫(kù)侖勢(shì)，等離子體中帶電粒子間的相互作用是屏蔽庫(kù)侖勢(shì)，力程為德拜屏蔽長(zhǎng)度。帶電粒

26、子的庫(kù)侖相互作用力程為德拜屏蔽長(zhǎng)度。帶電粒子的庫(kù)侖相互作用分成了兩部分：即在德拜球（以德拜長(zhǎng)度為半徑分成了兩部分：即在德拜球（以德拜長(zhǎng)度為半徑的球體）以外的長(zhǎng)程庫(kù)侖作用和在德拜球以內(nèi)的的球體）以外的長(zhǎng)程庫(kù)侖作用和在德拜球以內(nèi)的短程庫(kù)侖作用，長(zhǎng)程庫(kù)侖作用的結(jié)果表現(xiàn)出帶電短程庫(kù)侖作用，長(zhǎng)程庫(kù)侖作用的結(jié)果表現(xiàn)出帶電粒子的集體行為，而短程庫(kù)侖作用的結(jié)果則是庫(kù)粒子的集體行為，而短程庫(kù)侖作用的結(jié)果則是庫(kù)侖碰撞。侖碰撞。n“庫(kù)侖碰撞庫(kù)侖碰撞”總是一個(gè)帶電粒子同時(shí)與大量其它總是一個(gè)帶電粒子同時(shí)與大量其它帶電粒子相帶電粒子相“碰撞碰撞”n在磁約束熱核聚變裝置中，磁場(chǎng)能改變帶電粒子在磁約束熱核聚變裝置中，磁場(chǎng)能改

27、變帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)帶電粒子在屏蔽庫(kù)侖場(chǎng)作用下速的運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)帶電粒子在屏蔽庫(kù)侖場(chǎng)作用下速度方向的偏轉(zhuǎn)也會(huì)有額外的貢獻(xiàn)，自然也會(huì)影響度方向的偏轉(zhuǎn)也會(huì)有額外的貢獻(xiàn)，自然也會(huì)影響到粒子間的碰撞。到粒子間的碰撞。n可以證明，在一定條件下，等離子體中帶電粒子可以證明，在一定條件下，等離子體中帶電粒子間的多體碰撞，可以間的多體碰撞，可以近似地等于二體碰撞疊加近似地等于二體碰撞疊加。 n在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉(zhuǎn)在等離子體中，粒子速度方向經(jīng)一次碰撞就偏轉(zhuǎn)9090的幾率，比每次碰撞只偏轉(zhuǎn)很小角度，但經(jīng)的幾率，比每次碰撞只偏轉(zhuǎn)很小角度，但經(jīng)過(guò)多次碰撞后積累到偏轉(zhuǎn)過(guò)多次碰撞后積累到偏轉(zhuǎn)909

28、0的幾率約小的幾率約小2 2個(gè)數(shù)量個(gè)數(shù)量級(jí)。因此在等離子體中，通過(guò)大量小角度散射積級(jí)。因此在等離子體中，通過(guò)大量小角度散射積累到大的偏轉(zhuǎn)比只經(jīng)過(guò)一次散射就得到大的偏轉(zhuǎn)累到大的偏轉(zhuǎn)比只經(jīng)過(guò)一次散射就得到大的偏轉(zhuǎn)大幾十倍。大幾十倍。小角度散射是主要的！小角度散射是主要的！n在等離子體中，把通過(guò)在等離子體中，把通過(guò)大量小角度散射積累到大大量小角度散射積累到大的偏轉(zhuǎn)（的偏轉(zhuǎn)（9090）稱為）稱為“碰撞碰撞”，實(shí)現(xiàn)這樣碰撞，實(shí)現(xiàn)這樣碰撞所經(jīng)歷的平均時(shí)間稱平均碰撞時(shí)間。所經(jīng)歷的平均時(shí)間稱平均碰撞時(shí)間。n幾種平均碰撞時(shí)間的數(shù)量級(jí)：幾種平均碰撞時(shí)間的數(shù)量級(jí)：n平均碰撞頻率平均碰撞頻率 :1:/:/eeiiie

29、ieiemmmm:/:/:1eeiiieieiemmmmn庫(kù)侖相互作用短程部分所造成的碰撞過(guò)程的時(shí)間庫(kù)侖相互作用短程部分所造成的碰撞過(guò)程的時(shí)間尺度與庫(kù)侖相互作用長(zhǎng)程部分所造成集體運(yùn)動(dòng)的尺度與庫(kù)侖相互作用長(zhǎng)程部分所造成集體運(yùn)動(dòng)的等離子體振蕩周期相比較：等離子體振蕩周期相比較：n等離子體中的碰撞過(guò)程比等離子體集體振蕩過(guò)程等離子體中的碰撞過(guò)程比等離子體集體振蕩過(guò)程慢得多。說(shuō)明慢得多。說(shuō)明等離子體的特性是以集體效應(yīng)為主等離子體的特性是以集體效應(yīng)為主。實(shí)際上，在短程碰撞引起等離子體性質(zhì)改變的時(shí)實(shí)際上，在短程碰撞引起等離子體性質(zhì)改變的時(shí)間尺度內(nèi)，就能出現(xiàn)各種等離子體集體現(xiàn)象間尺度內(nèi)，就能出現(xiàn)各種等離子體集

30、體現(xiàn)象( (如等如等離子體波、不穩(wěn)定性等離子體波、不穩(wěn)定性等) )，因而，因而在多數(shù)場(chǎng)合，這種在多數(shù)場(chǎng)合，這種短程碰撞影響都可忽略。短程碰撞影響都可忽略。 /1eepe1/pepe等離子體定義（統(tǒng)一的等離子體定義（統(tǒng)一的 ） n必須指出，并非任何帶電粒子組成的體系必須指出，并非任何帶電粒子組成的體系都是等離子體，只有具備了等離子體特性都是等離子體，只有具備了等離子體特性的帶電粒子體系，才可稱為等離子體。的帶電粒子體系，才可稱為等離子體。n等離子體是由大量正負(fù)帶電粒子組成的等離子體是由大量正負(fù)帶電粒子組成的( ( 有 時(shí) 還 有 中 性 粒 子有 時(shí) 還 有 中 性 粒 子 ) ) 、 在 空

31、間 尺 度、 在 空 間 尺 度 和時(shí)間尺度和時(shí)間尺度 具有準(zhǔn)電中性的、在具有準(zhǔn)電中性的、在電磁場(chǎng)及其他長(zhǎng)程力作用下粒子的運(yùn)動(dòng)和電磁場(chǎng)及其他長(zhǎng)程力作用下粒子的運(yùn)動(dòng)和行為以行為以集體效應(yīng)為主集體效應(yīng)為主的體系的體系。 Dl1/pe等離子體輻射等離子體輻射 n等離子體中存在大量的以各種形式運(yùn)動(dòng)的等離子體中存在大量的以各種形式運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，因而會(huì)引起多種的輻射，稱等帶電粒子，因而會(huì)引起多種的輻射，稱等離子體輻射。離子體輻射。n等離子體輻射：軔致輻射、復(fù)合輻射、回等離子體輻射：軔致輻射、復(fù)合輻射、回旋輻射、激發(fā)輻射以及契侖柯夫輻射等旋輻射、激發(fā)輻射以及契侖柯夫輻射等n對(duì)磁約束熱核聚變等離子體，最重要

32、的輻對(duì)磁約束熱核聚變等離子體，最重要的輻射過(guò)程是：軔致輻射和回旋輻射。射過(guò)程是：軔致輻射和回旋輻射。軔致輻射軔致輻射n軔致輻射是自由帶電粒子受外場(chǎng)作用、使其運(yùn)動(dòng)軔致輻射是自由帶電粒子受外場(chǎng)作用、使其運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化而輻射的電磁波。速度發(fā)生變化而輻射的電磁波。n等離子體中，電子受到離子的作用而做加速運(yùn)動(dòng)等離子體中，電子受到離子的作用而做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生軔致輻射。軔致輻射的光譜是時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生軔致輻射。軔致輻射的光譜是連續(xù)連續(xù)光譜光譜（X X射線）。因?yàn)殡娮由渚€）。因?yàn)殡娮? -電子作用對(duì)軔致輻射電子作用對(duì)軔致輻射的貢獻(xiàn)很小，可以忽略，所以等離子體中的軔致的貢獻(xiàn)很小，可以忽略，所以等離子體中的軔

33、致輻射輻射主要是電子主要是電子- -離子作用離子作用產(chǎn)生的。產(chǎn)生的。n電子軔致輻射損失功率密度電子軔致輻射損失功率密度 ( (W Wcmcm-3-3 ) ) 3121/2b4.81 10ieePZ nn T回旋輻射（磁軔致輻射回旋輻射（磁軔致輻射） n在熱核等離子體中，離子和電子受相同的洛侖茲在熱核等離子體中，離子和電子受相同的洛侖茲力，由于電子的加速度遠(yuǎn)大于離子的加速度，因力，由于電子的加速度遠(yuǎn)大于離子的加速度，因此在熱核等離子體中只要考慮此在熱核等離子體中只要考慮電子的回旋輻射電子的回旋輻射。 n典型的熱核等離子體，電子回旋輻射頻率為典型的熱核等離子體，電子回旋輻射頻率為10101111H

34、zHz，波長(zhǎng)為毫米量級(jí)，屬于微波范圍。由于，波長(zhǎng)為毫米量級(jí)，屬于微波范圍。由于回旋輻射的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)回旋輻射的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，通常能為等離子體所吸，通常能為等離子體所吸收或能被適當(dāng)設(shè)計(jì)的器壁所反射。收或能被適當(dāng)設(shè)計(jì)的器壁所反射。n輻射導(dǎo)致等離子體輻射導(dǎo)致等離子體能量損失能量損失，輻射也可以，輻射也可以提供有提供有關(guān)等離子體的重要信息。關(guān)等離子體的重要信息。 2.3 等離子體參量與分類等離子體參量與分類 n等離子體等離子體參量參量 ： 粒子性質(zhì)的物理量粒子性質(zhì)的物理量 ：電子、離子質(zhì)量及電荷電子、離子質(zhì)量及電荷 宏觀狀態(tài)的物理量：電子、離子的密度，溫度宏觀狀態(tài)的物理量：電子、離子的密度，溫度n等離子體

35、等離子體分類分類：（1 1）溫度很高，電子熱運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)溫度很高，電子熱運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)考慮相對(duì)論考慮相對(duì)論效效應(yīng)：應(yīng)：T Te e 10keV 10keV v v0.30.3c c（2 2）等離子體的密度很高（接近固體），粒子間等離子體的密度很高（接近固體），粒子間的距離接近或小于電子德布洛依波長(zhǎng)，應(yīng)的距離接近或小于電子德布洛依波長(zhǎng)，應(yīng)考慮量考慮量子效應(yīng)。子效應(yīng)。量子和經(jīng)典量子和經(jīng)典界限：界限：1/31/eetenm v（3）按照粒子間作用強(qiáng)弱區(qū)分理想與非理想按照粒子間作用強(qiáng)弱區(qū)分理想與非理想等離子體。等離子體。 平均勢(shì)能平均勢(shì)能 平均動(dòng)能平均動(dòng)能n理想理想等離子體條件：等離子體條件：n弱耦合弱耦合

36、等離子體等離子體n強(qiáng)耦合強(qiáng)耦合等離子體等離子體 221/321/3/()peeEelene n(3/2)keET21/3/2/31pkeeEEe nT/1pkEE /1pkEE 宇宙和實(shí)驗(yàn)室中等離子體參量宇宙和實(shí)驗(yàn)室中等離子體參量n見(jiàn)表見(jiàn)表2.3.12.3.1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)n等離子體振蕩頻率比電子碰撞頻率大很多等離子體振蕩頻率比電子碰撞頻率大很多（2 23 3個(gè)量級(jí)以上），即等離子體中的碰個(gè)量級(jí)以上），即等離子體中的碰撞過(guò)程比等離子體集體振蕩過(guò)程慢得多，撞過(guò)程比等離子體集體振蕩過(guò)程慢得多，所以等離子體的特性是以集體效應(yīng)為主的。所以等離子體的特性是以集體效應(yīng)為主的。典型的等離子體密度、溫度區(qū)域典型的等

37、離子體密度、溫度區(qū)域 n1.1.固體等離子體；固體等離子體；n2.2.電離層；電離層；n3.3.日冕；日冕；n4.4.氣體放電等離子體；氣體放電等離子體；n5.5.激光熱核實(shí)驗(yàn)等離激光熱核實(shí)驗(yàn)等離子體；子體；n6.6.準(zhǔn)穩(wěn)熱核實(shí)驗(yàn)等離準(zhǔn)穩(wěn)熱核實(shí)驗(yàn)等離子體；子體；n7.7.激光熱核反應(yīng)堆；激光熱核反應(yīng)堆；n8.8.準(zhǔn)穩(wěn)熱核反應(yīng)堆。準(zhǔn)穩(wěn)熱核反應(yīng)堆。 2.4 等離子體的描述方法等離子體的描述方法n等離子體中帶電粒子間既有短程庫(kù)侖作用等離子體中帶電粒子間既有短程庫(kù)侖作用引起的碰撞，又存在長(zhǎng)程庫(kù)侖作用引起的引起的碰撞，又存在長(zhǎng)程庫(kù)侖作用引起的集體運(yùn)動(dòng)，其中又有外加的強(qiáng)磁場(chǎng)，還有集體運(yùn)動(dòng)，其中又有外加的強(qiáng)

38、磁場(chǎng)，還有自身產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，因此要自身產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，因此要精確描述等離精確描述等離子體的行為極其困難子體的行為極其困難。目前，只能根據(jù)不。目前，只能根據(jù)不同條件和研究的問(wèn)題，采用不同的近似方同條件和研究的問(wèn)題，采用不同的近似方法，對(duì)等離子體進(jìn)行描述。法，對(duì)等離子體進(jìn)行描述。 1. 單粒子軌道描述法單粒子軌道描述法 n單粒子軌道描述法：研究單個(gè)帶電粒子在外加的單粒子軌道描述法：研究單個(gè)帶電粒子在外加的電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，完全忽略等離子體中電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)，完全忽略等離子體中其他帶電粒子對(duì)它的作用。其他帶電粒子對(duì)它的作用。n單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌道只需用牛頓力學(xué)方程和粒子單個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)軌道只需用牛頓力學(xué)方程和粒子的初始條件的初始條件( (空間位置和速度空間位置和速度) )就可以完全確定就可以完全確定n單粒子軌道描述方法，單粒子軌道描述方法，是一種近似的方法，但處是一種近似的方法，但處理問(wèn)題的方法簡(jiǎn)單，物理圖像直觀，能夠給出理問(wèn)題的方法簡(jiǎn)單，物理圖像直觀，能夠給出帶帶電電粒子在一些復(fù)雜的電磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的軌跡，粒子在一些復(fù)雜的電磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的軌跡，能較好的解釋等離子體的許多性質(zhì)。能較好的解釋等離子體的許多性質(zhì)。 2. 磁流體描述法磁流體描述法 n它是把等離子體看成導(dǎo)電流體，用它是把等離子體看成導(dǎo)電流體，用經(jīng)典流體力學(xué)和經(jīng)典流體力學(xué)